5. Силы нa парусах и корпусе.

Суда, приспособленные для движения под парусами, имеют ряд специфических особенностей, отличающих их от судов с механическим двигателем. Эти особенности обусловлены использованием ветра в качествe энергии для движения, а в качестве движителя —  пapycoв.

Большинство людей хорошо знакомо с простым прямыми пapycaми, которые ставятся преимущественно на попутных к ветру курсах . Такой  пapyc является плохо обтекаемым телом. На eгo подветренной стороне создается разрежение, на наветренной —   повышенное давление.

Суммируясь по всей площади паруса, разность давлений образует силу сопротивления, направленную по курсу судна и приводящую eгo в движение. Прямой парус создаст тягу и при плавании под углом к направлению ветра вплоть до курса полный бейдевинд (60  —  70 градусов к ветру). На этом курсе на ветровой поток воздуха накладывается встречный поток, вызванный  скоростью  продвижения судна вперед; вектор скорости  cyммарного потока накладывается направленным к парусу уже не под 60 или 70 градусов, а гораздо острее.

Парус начинает работать уже по другому принципу  —  аэродинамического крыла. С кормовой кромки срывается выхрь, вызывающий циркуляцию потока воздуха вокруг паруса направление которой совпадает с общим потоком у подветренной стороны паруса и противоположному ему у наветренной. Вследствае ускорения частиц воздуха на подветренной стороне возникает разрежение, а на наветренной, где движение частиц замедляется, создается пониженное давление, В результате образуется аэродинамическая сила, проекция которой на направление движения судна и является полезной тягой паруса.

При расположении паруса под углом к ветру он также обладает сопротивлением, но в данном случае сила сопротивления не только не создает тяги, но и наоборот тормозит движение судна. Если на попутном курсе чем больше сопротивление, тем больше тяга паруса, то на курсе бейдевинд важно по возможности снизить сопротивление (по аналогии с аэродинамикой крыла оно называется лобовым) и увеличивает вторую составляющую аэродинамической силы – подъемную силу  Y, направленную перпендикулярно направлению воздушного потока —  вымпельного ветра.

Для таких условий работы прямой парус оказывается малоэффективным. Исследования парусов показали, что подъемная сила создается в основном за счет разрежения на подветренной поверхности, которое достигает своего максимума вблизи кромки паруса, обращенной к ветру.  Помимо прочих факторов величина разрежения зависит от формы  —  профиля паруса, который принимает парус наполненный ветром, от расположения и глубины выпуклости или «пуза» паруса.

Поэтому наибольшее распространение на спортивных и прогулочных судах приобрели косые паруса, которые устанавливаются одной из своих боковых кромок – передней шкаториной – к ветру. Этой шкаторине придается прямолинейность при помощи мачты или штага; парус же выкраивается с выпуклым профилем, имеющем глубину «пуза» от 6 до 12% его хорды.

Косые паруса эффективно работают под малыми углами атаки к вымпельному ветру  —  5 – 8 градусов, благодаря чему суда , имеющие специально рассчитанные для плавания под парусами обводы, могут идти в бейдевинд под углом  30  —  35 градусов к направлению истинного ветра и продвигаться против ветра в лавировку  —  галсами.

Из схемы видно, что сила тяги T оказывается намного меньше боковой силы D, называемой дрейфа так как она вызывает перемещение судна  —  дрейф его в подветренную сторону. Следовательно, для того чтобы парусник эффективно продвигался в сторону ветра, он должен иметь достаточно большое сопротивление дрейфу и по возможности малое сопротивление в направлении движения.

Первое из этих качеств достигается благодаря применению килевых обводов с развитой боковой поверхностью или же эффективных профилированных килей – плавников, являющихся гидродинамическими крыльями малого удлинения. Поскольку судно движется под углом дрейфа относительно его диаметральной плоскости, на таком плавнике создается гидродинамическая сила, направленная в наветренную сторону, т. е. против силы дрейфа, действующей на парус. При установившемся движении обе силы должны быть равны по величине и располагаться в одной вертикальной плоскости

Обратимся теперь к рисунку на котором представлена несколько упрощенная пространственная картина действия основных сил на парус и корпус яхты. Считается, что аэродинамическая сила приложена к парусам в условном центре парусности  —  (ЦП), за который в предварительных расчетах принимается геометрический центр тяжести парусов, поставленных в  ДП судна. Для треугольного паруса ЦП является точкой пересечения двух медиан, т. е. аэродинамическая сила и ее составляющая D приложены достаточно высоко над ватерлинией. Сила сопротивления дрейфу  Rd подобным же образом считается приложенной в центре бокового сопротивления  (ЦБС), за который принимается геометрический центр тяжести боковой проекции подводной части ДП судна с килем и рулем. В зависимости от обводов подводной части ЦБС оказывается расположенным на глубине  15  —  25 % осадки яхты.

Таким образом, сила дрейфа D и сила сопротивления дрейфу Rd оказываются приложенными на довольно большом плече l и образуют кренящий момент  M = D*l/. Следствием этого является неизбежный крен, с которым происходит движение парусных судов на острых углах к ветру. Величина этого крена зависит от остойчивости судна, а для его уменьшения яхту снабжают тяжелым  (от 30 до 60 % водоизмещения) балластным фальшкилем или откренивают, если речь идет о легком швертботе.  Гораздо меньший дифферентующий на нос момент создает пара сил тяги Т и сопротивления воды движению яхты  R, которая также уравновешивается восстанавливающим моментом продольной остойчивости судна.

Гораздо более существенное влияние на управляемость судна оказывает другой момент этих сил, действующий в горизонтальной плоскости и возникающий вследствие того, что сила T смещается при крене в сторону накрененного борта. Момент сил T и R? (Mпр = T*b) стремится повернуть судно носом против ветра  (или привести его к ветру, как говорят яхтсмены).  Противодействовать этому можно при помощи руля, но дизайнеры стараются создать компенсирующий момент за счет сил D и Rd, вынося  ЦП вперед от  ЦБС  на большую величину a.

В зависимости от обводов судна, типа оснастки и парусов эта величина составляет от 5 до 20% длины судна по ватерлинии. Большая цифра относится к современным спортивным яхтам, имеющим глубокий плавниковый киль и руль и оснащенными высокими узкими парусами бермудского типа; меньшая  —  к судам типа старинных шхун с прямой длинной линией киля  и широкими гафельными парусами.

Многое зависит и от остойчивости судна: чем она меньше, там больший крен на ходу получает яхта, тем дальше от борта смещается сила  T и тем больше необходимо разнести ЦП и ЦБС. При черезмерном носовом расположении  ЦП  относительно  ЦБС яхта получает тенденцию  —   уваливаться под ветер —  отворачивать форштевень от ветра.  В этом случае приходится перекладывать на ветер , вследствие чего скорость яхты может заметно снизится ( так же, как и в случае недостаточного опережения ЦП перед ЦБС , когда руль отклоняют в подветренную сторону).

Подводя итог, можно сформулировать основные  требования, которым должно удовлетворять судно, предназначенное для плавания острыми курсами к ветру:

1. Оно должно быть достаточно остойчивым, чтобы не получать в свежий ветер чрезмерного крена;

2. Судно следует оснастить эффективными парусами, способными развивать достаточную аэродинамическую силу на малых углах атаки к вымпельному ветру;

3. Судно должно иметь эффективный киль для сопротивления дрейфу;

4. Оно должно быть хорошо отцентровано для обеспечения устойчивости на курсе.

Еще одна особенность парусных судов – это непостоянство величины силы тяги, которая зависит от скорости ветра. Поэтому режим эксплуатации парусника изменяется в широких пределах —  от водоизмещающего плавания с минимальной скоростью до глиссирования (при благоприятных условиях) на гребне волны.

С расчетом на весь этот диапазон или же на какую – либо часть его – в зависимости от преобладающих ветровых условий в районе плавания —  и проектируются обводы корпуса, выбирают ту или иную площадь парусности и остойчивость судна. Как правило, мощности, развиваемой парусами, оказывается достаточно для достижения максимальной скорости  Fr = 0.5, или V = 3 v L уз,  где L – длина яхты по ватерлинии, м.

Конструктивные типы парусных яхт. В зависимости от того, каким образом обеспечивается боковое сопротивление дрейфу и остойчивость судна, необходимые для плавания под парусами, различают несколько основных конструктивных типов парусных лодок и яхт.

Как найти центр парусности и центр бокового сопротивления?

В практике проектирования яхт предполагается, что действующие на парус силы разрежения на его подветренной стороне и давления на наветренной сводятся к равнодействующей силе, при­ложенной в геометрическом центре площади парусности яхты. Факти­чески точка приложения аэродинамической силы меняет свое положе­ние в зависимости от курса яхты относительно ветра, угла установки парусов. Как правило, эта точка располагается впереди геометри­ческого центра парусности, причем при угле атаки 10—15° (курс бей­девинд) это опережение у бермудских парусов может достигать 10—15%.

Одновременно точка приложения поперечной гидродинамической подъемной силы, которую при проектировании яхт конструктор по­мещает в геометрический центр площади диаметральной плоскости яхты, также существенно изменяет свое положение. При лавировке центр бокового сопротивления находится впереди геометрического центра; по мере уваливания судна на попутный ветру курс ЦБС пе­ремещается в корму. .Таким образом, закладываемое в проект опере­жение ЦП по отношению к ЦБС (величина а) должно компенсировать разницу в вариантах перемещений ЦП и ЦБС на различных курсах при минимальном отклонении руля (см. с. 186).

Для того чтобы найти геометрический центр парусности, каждый парус разбивают на ряд треугольников (рис. 203). Центр тяжести тре­угольника лежит в точке пересечения его медиан, т. е. линий, соеди­няющих середины сторон с противолежащими вершинами. Площадь серпа по задней шкаторине грота может быть найдена как 5 =а/3Л, где / — стрелка серпа; I — длина хорды по задней шкаторине. Ко­ординаты общего центра парусности по длине (*цП) от носового пер­пендикуляра 00 и по высоте от КВЛ (гцп) находятся по формуле:

Т

Где ЛSiXi — сумма произведений площадей отдельных треуголь­ников Si на расстояния Xi и их ЦТ от носового перпендикуляра; 2 Stz, — сумма произведений S; на расстояния? j их ЦТ от КВЛ; 2 S{ = S — общая площадь парусности яхты.

Применяется и чисто графический способ нахождения геометри­ческого центра парусности, который поясняется на рис. 203, а. Об­щий ЦП грота и стакселя расположен на прямой, соединяющей ик

Схема-определения центра парусности и центра бокового

Сопротивления яхты: А — графический способ определения ЦП; б — определение ЦП рас­четом моментов отдельных элементов и парусов относительно К. ВЛ и носового перпендикуляра 00.

Гр *— грот, Ст — стаксель.

Центры Гр и Ст, а расстояния от ЦП до Гр и Ст обратно пропорци­ональны площадям этих парусов. Из центров обоих парусов прово­дятся два параллельных отрезка, направленные в противоположные стороны от прямой Гр—Ст. Длина этих отрезков численно равна пло­ щади стакселя SCT (откладывается от центра грота) и грота 5,-р (от­кладывается от центра стакселя). Точка пересечения прямой, соеди­няющей концы этих отрезков с линией Гр—Ст, и будет общим ЦП яхты.

Аналогичным способом определяется и геометрический центр бокового сопротивления ЦБС. Площадь ДП разбивается на отдельные элементы — руль, киль или шверт, корпус, плавник и т. п., затем вычисляются моменты их площадей относительно носового перпенди­куляра 00 и КВЛ. Иногда ЦБС определяют, уравновешивая на лезвии ножа шаблон погруженной части ДП, вырезанный в масштабе из плот­ного картона. Определенный таким образом центр тяжести шаблона соответствует ЦБС яхты.